智能傳感器的發展態勢可根據 MEMS、CMOS和光譜學分類研究。MEMS、CMOS是智能傳感器制造的兩種主要技術。預計CMOS技術將成為最大份額占有者,將從2013年的4.74億美元上升到2020年的41.2億美元,約占總市場份額的40%。光譜學技術是智能傳感器增長最快的新技術,2013~2017年的年增加率高達38%左右。
1. MEMS
MEMS傳感器最早被應用于軍事領域,可進行目標跟蹤和自動識別領域中的多傳感器數據融合,具有特定 的高精度和識別、跟蹤定位目標的能力。采用MEMS技術制作、集成了A/D 轉換器的流量傳感器已被應用于航天領域。
要想實現智能化,需要集成 MEMS傳感器的功能以及信號調理、控制和數字處理功能,以實現數據與指令的雙向通信、全數字傳輸、本地數字處理、自校準和由用戶定義的算法編程。
軍用 MEMS智能傳感器的研究主要針對長距離空中和海洋的監視、偵察(包括無人機蜂群),已經可以通過智能傳感器網絡,實現對多地區多變量的遙感監視。
2. CMOS
(1) CMOS 傳感器
CMOS技術是主流的集成電路技術,不僅可用于制作微處理器等數字集成電路,還可制作傳感器、數據轉換器、用于通信目的高集成度收發器等,具有可集成制造和低成本的優勢。CMOS計算元件能與不同的傳感元件集成,制作成流量傳感器、溶解氧傳感器、濁度傳感器、電導率傳感器、PH傳感器、氧化還原電 位(ORP)傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、觸控感應器等應用于各種場合的智能傳感器。CMOS觸摸傳感器和溫度傳感器的市場份額保持在14%,并在近幾年呈持續增長態勢。采用CMOS技術制作、集成了D/A轉換器的溶解氧傳感器已被應用于汽車領域。集成了收發功能的濁度傳感器已被應用于生物醫藥領域。組合了CMOS成像器和處理電路的數字低光度CMOS 基成像器正在成為軍事應用領域的主流成像器。
(2)CMOS與 MEMS集成新技術
目前,關于集成智能傳感器制作工藝的研究熱點是與CMOS工 藝 兼容的各種 傳感器結構及其制造工藝流程。傳感器和致動器(S&A)通常采用專用MEMS技術,因 此,可以利用MEMS 與 CMOS的不同結合衍生出各種新集成技術平臺。德州儀器公司的微鏡就是超大規模 S&A與 CMOS在后CMOS工藝段結合的一個經典案例。若將 S&A 單片集成或異構集成在 CMOS平臺之上,可以提高器件性能,減小器件與系統的尺寸,降低成本。
雖然國際上一些S&A技術達到很高的成熟度并且已經量產,但是S&A 與CMOS平臺的三維或單片集成仍然面臨高量產和低成本的重大挑戰,因而受到極大的關注。
(4) 前沿領域中的新集成技術
基于碳納米管(CNT)或納米線等納米尺度結構和納米材料、可以實現更高性能的新集成技術和器件受到越來越多的關注。美國北卡羅萊納州立大學宣布了最新研究的多功能自旋電子智能傳感器,將二氧化釩(VO2)器件集成到硅晶圓之上,為下一代自旋電子器件鋪平了道路。需要關注的技術還包括采用量子技術實現更高敏感性和分辨率的量子傳感器,以及能夠集成在手機芯片上的量子傳感裝置。
3. 光譜學
光譜學是一門涉及物理學和化學的重要交叉學科,通過測量光與物質相互作用的光譜特性來分析物質的物理、化學性質。精準的多光譜測量可以用于分析固體、液體甚至氣體物品,只要有光就可以實現測量。光譜成像被廣泛用于各種物體感測和材料屬性分析。高光譜成像對圖像中每個像素點進行光譜分析,可實現寬范圍測量。美國 BANPIL公司的多譜圖像傳感器能夠對頻譜范圍為0.3~2.5μm 的超紫外(UV)光、可見光(VIS)、近紅外(NIR)、短波長紅外 (SWIR)進行成像分析,目前已制成單片器件。
三、市場與應用分析
1. 主流產品處于上升周期
根據 MarketsandMarkets的報告:全球智能制造領域智能傳感器的市場份額將從2013年的約3億美元增加到2020年的27億美元,CAGR為37.3%;智慧生活領域智能傳感器的市場份額將從2013年的約3.6億美元增加到2020年的41.3億美元;汽車智能傳感器的市場份額將從2013年的1.2億美元增加到2020年的10.1億美元,CAGR 為35.77%;國家安全領域航空航天應用的智能傳感器市場份額將從2013年的約1.1億美元增加到2020年的6.3億美元,CAGR達到28.3%。
壓力傳感器、溫度傳感器、觸摸傳感器等主要產品均為兩位數的增長率。采用MEMS、CMOS、光譜學等主流技術制造的智能傳感器市場處于快速增長周期中。
智能傳感器的主要制造企業包括美國的 ADI、瑞士的 ABB 和Colibrys、英國的Cypress半導體等。
2. 主流技術推進軍事應用
軍事應用的強烈需求不斷拉動傳感器技術的進步與變革。CMOS、硅微細加 工、MEMS 主流技術是傳感器智能化的主要實現手段和傳感器數據融合的硬件基礎,也是實現低成本的有效途徑。
(1) 傳感器數據融合